Desarrollo e implementación del sistema de control industrial de un biorreactor para la producción de etanol

Abstract

[ES] El presente trabajo se enfoca en el desarrollo e implementación de un sistema de control industrial para el control de un biorreactor destinado a la producción de etanol. Dado el nivel de complejidad del proceso, se ha optado por utilizar un enfoque basado en un gemelo digital. El proyecto se divide en varias fases fundamentales: 1. Implementación de un modelo no lineal del proceso para la creación del gemelo digital. Se desarrollarán dos versiones del modelo: una que se conectará al controlador programable lógico (PLC) para simular operaciones realistas y otra que se utilizará en Matlab para el desarrollo y ajuste de la estructura de control. 2. Desarrollo, ajuste y validación de la estructura de control más adecuada. Se obtendrán modelos lineales a partir del modelo no lineal, se desarrollará la estructura de control basada en estos modelos lineales y se validará su rendimiento utilizando el modelo no lineal como referencia. 3. Implementación de la estructura de control en un PLC industrial y realización de ensayos de validación. Se transferirá la estructura de control desarrollada al entorno de control del PLC, que se realizará mediante el software CODESYS, y se llevarán a cabo pruebas exhaustivas para asegurar su correcto funcionamiento y desempeño. 4. Desarrollo gracias al programa IGSS de un sistema de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA) industrial para la monitorización y operación del proceso. Se crearán interfaces gráficas de usuario que permitirán a los operadores visualizar y operar el sistema, además de proporcionar acceso a registros históricos y otras funcionalidades relevantes. 5. Documentación exhaustiva del proyecto. Se elaborará un informe detallado que describa en profundidad cada etapa del desarrollo, incluyendo los aspectos teóricos, los métodos utilizados, los resultados obtenidos y las conclusiones relevantes.

Mediante este enfoque integral, se busca establecer un sistema de control eficiente y confiable para optimizar la producción de etanol en el biorreactor, asegurando la calidad del producto y minimizando los costos operativos.

[EN] The present work focuses on the development and implementation of an industrial control system for the control of a bioreactor intended for ethanol production. Given the level of complexity of the process, an approach based on a digital twin has been chosen. The project is divided into several fundamental phases: 1. Implementation of a non-linear model of the process for the creation of the digital twin. Two versions of the model will be developed: one that will be connected to the programmable logic controller (PLC) to simulate realistic operations, and another that will be used in Matlab for the development and tuning of the control structure. 2. Development, tuning, and validation of the most suitable control structure. Linear models will be derived from the non-linear model, the control structure based on these linear models will be developed, and its performance will be validated using the non-linear model as a reference. 3. Implementation of the control structure in an industrial PLC and conducting validation tests. The developed control structure will be transferred to the control environment of the PLC, which will be done using the Codesys software, and comprehensive tests will be carried out to ensure its correct functioning and performance. 4. Development of an industrial Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) system using the IGSS program for process monitoring and operation. User graphical interfaces will be created, allowing operators to visualize and operate the system, as well as providing access to historical records and other relevant functionalities. 5. Comprehensive documentation of the project. A detailed report will be elaborated, describing in-depth each stage of the development, including theoretical aspects, methods used, results obtained, and relevant conclusions.

Through this comprehensive approach, the aim is to establish an efficient and reliable control system to optimize ethanol production in the bioreactor, ensuring product quality and minimizing operating costs.

[CAT] El present treball se centra en el desenvolupament i implementació d'un sistema de control industrial per al control d'un biorreactor destinat a la producció d'etanol. Donat el nivell de complexitat del procés, s'ha optat per utilitzar un enfocament basat en un bessó digital. El projecte es divideix en diverses fases fonamentals: 1. Implementació d'un model no lineal del procés per a la creació del bessó digital. Es desenvoluparan dues versions del model: una que es connectarà al controlador programable lògic (PLC) per a simular operacions realistes i una altra que s'utilitzarà en Matlab per al desenvolupament i ajust de l'estructura de control. 2. Desenvolupament, ajust i validació de l'estructura de control més adequada. S'obtindran models lineals a partir del model no lineal, es desenvoluparà l'estructura de control basada en aquests models lineals i es validarà el seu rendiment utilitzant el model no lineal com a referència. 3. Implementació de l'estructura de control en un PLC industrial i realització d'assaigs de validació. Es transferirà l'estructura de control desenvolupada a l'entorn de control del PLC, que es realitzarà mitjançant el programari Codesys, i es duran a terme proves exhaustives per assegurar el seu correcte funcionament i rendiment. 4. Desenvolupament gràcies al programa IGSS d'un sistema de supervisió, control i adquisició de dades (SCADA) industrial per a la monitorització i operació del procés. Es crearan interfícies gràfiques d'usuari que permetran als operadors visualitzar i operar el sistema, a més de proporcionar accés a registres històrics i altres funcionalitats rellevants. 5. Documentació exhaustiva del projecte. Es redactarà un informe detallat que descriurà en profunditat cada etapa del desenvolupament, incloent els aspectes teòrics, els mètodes utilitzats, els resultats obtinguts i les conclusions rellevants. Mitjançant aquest enfocament integral, es busca establir un sistema de control eficient i fiable per a optimitzar la producció d'etanol en el biorreactor, assegurant la qualitat del producte i minimitzant els costos operatius.